上海矽酸鹽所在钇钪鋁石榴石激光陶瓷研究中取得系列進展

文章來源:上海矽酸鹽研究所  |  發布時間:2019-11-08  |  【打印】 【關閉

  

  钇鋁石榴石(Y3Al5O12YAG)是一種性能非常優異的固體激光基質材料,具有透光範圍寬,理論透過率高,熱導率高等特點。並且在YAG基質中,位于十二面體格位的Y3+以及位于八面體格位和四面體格位的Al3+可以被性質相似的其他離子取代,形成多組分石榴石材料來實現對其性能的調控,從而達到其應用的多功能化。例如熱導率的改變,激活離子吸收、發射峰的峰形展寬以及峰位移動,熒光壽命的調整等。在YAG基質材料中引入Sc3+形成Y3ScxAl5-xO120x2)是通過組分設計來實現其性能調控非常有效的方式。如在Yb:YSAG中,Sc3+的引入可以增加晶體場的起伏,從而導致Yb3+發射譜峰的非均勻加寬,有利于超快飛秒脈沖激光生成。 

  近日,中國科學院上海硅酸盐研究所李江研究员团队在Yb:YSAG激光陶瓷研究中取得系列進展。該團隊通過反應燒結結合熱等靜壓後處理(HIP)技術成功制備了10 at.% Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷,Yb3+1030nm處的發射峰半高寬約爲10 at.% Yb:YAG陶瓷的1.3倍,非常有利于超快飛秒脈沖激光生成。團隊與意大利國立光學系統研究所和意大利國立應用物理研究所合作,實現了Yb:Y3ScAl4O12陶瓷的高效激光輸出。使用929.4nm光纖耦合激光二極管(LD)泵浦,實現了斜率效率爲67.6%、激光輸出功率爲11.3W的准連續(QCW)激光輸出(目前報道的該種材料的最大激光輸出功率)。相關工作結果發表在美國陶瓷學會會刊上(J. Am. Ceram. Soc., 2019, doi: 10.1111/jace.16691)。 

  該團隊研究了不同Yb3+摻雜濃度對Yb:Y3ScAl4O12陶瓷微觀結構以及光學性能的影響,10 at.% Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷具有最優的光學質量和激光性能。另外也探究了不同Sc3+含量對10 at.% Yb:Y3ScxAl5-xO12陶瓷性能的影響。隨著Sc3+含量的增加,Yb3+發射峰的半高寬也在相應地增加,其中Sc3+含量爲1.510 at.% Yb:Y3ScxAl5-xO12陶瓷在1030nm處發射峰寬爲10 at.% Yb:YAG1.4倍,理論上能産生大約100fs的脈沖激光。對10 at.% Yb:Y3Sc1.5Al3.5O12透明陶瓷進行激光性能測試,得到了10.8W的准連續激光輸出,相應的斜率效率爲66.4%,可調諧激光波長範圍爲86.2nm 988-1074.2nm),爲目前報道的Yb:YSAG陶瓷的最大激光調諧範圍(J. Alloys Compd., 2020, 815: 152637)。另外,通過與華東師範大學李文雪研究員合作,10 at.% Yb:Y3Sc1.5Al3.5O12陶瓷采用平平腔和三鏡腔針方式均實現了高效連續激光輸出(Opt. Mater., 2019, 88: 339-344)。 

  Yb:YSAG激光陶瓷主要應用于1μm波段的激光生成。2μm中紅外激光是一種非常重要的激光光源,它具有可被水強吸收,對人眼安全,可用石英光纖傳輸以及通過大氣透過率高等特點。Tm3+2μm中紅外激光常用的激活離子,Tm:YSAG陶瓷相比于Tm:YAG陶瓷具有更長的熒光壽命,有利于能量的存儲,是一種很有前景的中紅外激光增益介質。該團隊采用真空燒結技術制備了高質量的4 at.% Tm:Y3ScAl4O12透明陶瓷,並使用790nm光纖耦合LD泵浦,首次實現了該新型陶瓷材料的2μm激光輸出。激光工作波長爲2015nm,最大激光輸出功率爲0.54W,對應的斜率效率爲4.8%J. Am. Ceram. Soc., 2019, doi: 10. 1111/jace.16873)。以上系列論文的第一作者爲上海矽酸鹽所博士研究生馮亞剛,通訊作者爲李江研究員。 

  相关研究工作得到中國科學院前沿科学重点研究计划项目(院青年拔尖人才项目)、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、中國科學院上海硅酸盐研究所重点学科建设项目等资助。 

10 at.% Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷的(a)直線透過率與實物照片;(b)吸收截面與發射截面;(c)激光裝置圖;(d)准連續激光性能 

不同Sc3+含量10 at.% Yb:Y3ScxAl5-xO12激光陶瓷的(a)直線透過率;(b)實物照片;(c)吸收截面;(d)發射截面

4 at.% Tm:Y3ScAl4O12激光陶瓷的(a)直線透過率與實物照片;(b)吸收截面;(c)發射截面;(d)激光裝置圖與激光性能